Методы виміру частоты

Міністерство Освіти РФ.

Чебоксарский Філія (інститут) Московського Державного Открытого.

Университета.

РЕФЕРАТ.

ПО ДИСЦИПЛІНИ «МЕТРОЛОГІЯ І СТАНДАРТИЗАЦІЯ «.

НА ТЕМУ: «МЕТОДИ ВИМІРУ ЧАСТОТИ «.

ЧЕБОКСАРИ 2000.

МЕТОДИ ВИМІРУ ЧАСТОТЫ.

СПІЛЬНІ СВЕДЕНИЯ.

Частотою коливань називають число повних коливань в одиницю часу: f=n/t (1).

где t—время існування п коливань. Для гармонійних коливань частота f = 1/T, де Т — період коливань. Одиниця частоти герц окреслюється одне коливання до однієї секунду. Частота та палестинці час нерозривно пов’язані між собою, тому вимір тієї чи тієї інший величини диктується зручністю експерименту, і необхідної похибкою виміру. У Міжнародній системі одиниць СІ час є одним із семи основних фізичних величин. Частота електромагнітних коливань пов’язані з періодом коливання Т і однорідної пласкою хвилі у вільному просторі (такими співвідношеннями: fT = 1 і f (= з, де с—скорость світла, рівна 299 792,5 ± 0,3 км/с. Спектр частот електромагнітних коливань, які у радіотехніці, простирається від часткою герца до тисяч гигагерц. Цей спектр спочатку поділяють на два діапазону — низьких і високих частот. До низьким частотах відносять і нфра звукові (нижче 20 гц), звукові (20— 20 000 гц) і ультразвукові (20—200 кГц). Високочастотний діапазон, своєю чергою, поділяють на високі частоти (20 кГц — 30 МГц), ультравысокне (30 — 300 МГц) і надвисокі (вище 300 МГц). Верхня кордон надвисоких частот безупинно підвищується, і нині досягла 80 ГГц (не враховуючи оптичного діапазону). Таке поділ пояснюється у різний спосіб отримання електричних коливань і відмінностями їх фізичних властивостей, а також особливостями залучення відстань. Проте чіткої кордону між окремими ділянками спектра провести неможливо, тому така розподіл великою мірою условно.

МЕТОД ПЕРЕЗАРЯДД КОНДЕНСАТОРА Приєднаємо конденсатор, ємність якого З, до джерела напруги U. Конденсатор зарядится, у ньому нагромадиться кількість електрики q = CU. Якщо конденсатор переключити на магнитоэлектрический вимірювач струму, то нього пройде кількість електрики q, викликавши відхилення покажчика. Якщо конденсатор по черзі приєднувати до джерела напруги для заряду і до измерителю струму для розряду із частотою перемикання f разів у секунду, то кількість електрики, що відбувається через амперметр при розряді, буде зацікавлений у f разів більше: fq = fCU = I, де I —середнє струму розряду. Звідси слід, що струм у такому схемою прямо пропорційний частоті перемикання і при постійному творі CU шкалу амперметра можна градуювати в одиницях частоти: f=I/(CU) (2) [pic].

Рис. 1. Структурна схема конденсаторного частотомера Структурна схема конденсаторного частотомера, у якому використано цей метод (рис. 11), складається з усилителя-ограничителя УО і Зарядно-разрядного устрою ЗРУ з магнитоэлектрическим індикатором. З іншого боку, є генератор Дк для калібрування частотомера в одній фіксованою частоті. На вхід частотомера надходить напруга вимірюваною частоти. У підсилювачіограничителе вони ухвалюють форму меандру. Меандр управляє заряднорозрядним пристроєм, схема якого приведено на рис. 2. [pic].

Рис. 2. Схема лічильного устрою конденсаторного частотомера Транзистор Т працює у режимі ключа: що він закритий, один ii3 конденсаторів З заряджається через резистор R, а коли транзистор відкритий, той ж конденсатор розряджається через транзистор. Зарядний струм протікає через магнитоэлектрический миллиамперметр, градуйований в одиницях частоти. Конденсатори З переключаються: мінімальна та максимальна ємність визначає діапазон вимірюваних частот, а число конденсаторів — число под-диапазонов.

Значення напруги, куди заряджається конденсатор даного поддиапазона, залежно від вимірюваною частоти і значення ємності конденсатора змінюється, і градація шкали частотомера порушується. Для усунення цього явища в зарядно-разрядном устрої передбачена стабілізація напруги заряду, здійснювану стабилитроном Дз; напруга питаниятакже стабілізується з допомогою стабилитронов Д1 і Д2 Нижній межа вимірюваних частот становить 10 гц; за більш низьких частотах рухлива частина магнитоэлектрического індикатора здійснювати механічні коливання в такт з вимірюваною частотою. Верхня межа залежить від постійної часу ланцюга заряду, обумовленою не лише опором резистора R і мінімальної ємністю конденсатора З, але і монтажними посудинами елементів зарядно-разрядного устрою, і перевищує 1 МГц. Похибка виміру залежить від класу точності миллиамперметра, залишкової нестабільності напруги заряду конденсатора і становить 1−2%.

РЕЗОНАНСНИЙ МЕТОД.

Резонансний метод виміру частоти залежить від порівнянні вимірюваною частоти зі своєю резонансної частотою градуированного вимірювального колебательного.

Рис. 3. Структурна схема виміру частоти резонансним методом [pic].

контура. Цей метод застосовується у діапазоні високих і надвисоких частот. Структурна схема його реалізації приведено на рис. 3. Джерело напруги вимірюваною частоти fx з допомогою елемента зв’язку ЭСв сполучається з прецизійним вимірювальним контуром ІК, який налаштовується в резонанс з частотою fx Момент резонансу фіксується по максимальному показанню індикатора, приєднаного до контуру через другий елемент зв’язку. Яка Вимірюється частота визначається по градуйованої шкалою мікрометричного механізму настройки з великою кількістю отсчетных точок. Контур і індикатор конструктивно об'єднують у пристрій, зване резонансним частотомером. Якщо шкала механізму настройки градуирована в довжинах хвиль, то таке пристрій називають резонансним волномером. Схема резонансного частотомера (рис. 4) дає змоги виявити джерела похибки виміру. Похибка градуировки визначається якістю механізму настройки; яку можна зменшити шляхом попередньої градуировки шкали частотомера з допомогою зразковою заходи. Нестабільність частоти вимірювального контуру виникає через зміну його геометричних розмірів під впливом зміни температури довкілля; яку можна обчислити за такою формуле:

[pic] де (f — відхилення частоти від резонансної під впливом зміни температури на (T, До; (— лінійний температурний коефіцієнт розширення матеріалу контуру; k — конструктивний коефіцієнт. Нестабільність настройки контуру виникає також за зміні внесених реактивних опорів зі боку джерела fx і індикатора. Активні внесені опору зменшують добротність контура.

[pic].

Див. Мал.5 резонансна крива коливального контура.

Зменшення впливу внесених опорів досягається ослабленням зв’язки й з джерелом fx і індикатором. Неточність фіксації резонансу визначається значенням добротності контуру Q навантаженого вимірювального контуру і роздільну здатність індикатора. З рівняння резонансної кривою (рис. 5) можна отримати роботу формулу до розрахунку відносної похибки від неточності фіксації резонанса:

[pic](3).

где U0 — показання індикатора при резонансі; Up — показання при расстройке вимірювального контуру на[pic](f. Вимірювальний контур резонансного частотомера залежно від діапазону частот, котрій він призначений, виконується з зосередженими чи розподіленими параметрами. Резонансні частотоміри з зосередженими параметрами нині повністю витіснені цифровими частотомерами, і з розподіленими параметрами широко застосовують у діапазоні СВЧ.

Резонансні частотоміри характеризуються діапазоном виміру частот, похибкою і чутливістю, тобто. мінімальної потужністю, поглощаемой джерела вимірюваною частоти, яка потрібна на впевненого відліку показань індикатора при резонансе.

Резонансні частотоміри з розподіленими параметрами. Коливальний контур частотомера виконують або у формі відрізка коаксиальной лінії, або у вигляді об'ємного резонатора. Налаштування коаксиальной лінії виробляється зміною її довжини, об'ємного резонатора — зміною його объема.

Частотоміри з розподіленими параметрами пов’язують із джерелами вимірюваною частоти через штыревую чи рупорную антену чи через елементи зв’язку як [pic] [pic].

Рис. 6. Четвертьволновый резонансний частотомер Рис. 7. Резонансний частотомер з навантаженої лінією петель; зондів, щілин і круглих отворів. На вході частотомера часто включають аттенюаторы зі змінним ослабленням для регулювання вхідний потужності. Іноді застосовують спрямовані ответвители.

Індикатор частотомера складається з напівпровідникового (германієвого чи кремнієвого) діода і магнитоэлектрического микроамперметра великий чутливості. Зв’язок діода з вимірювальним контуром здійснюється через петлю зв’язку, располагаемую всередині коаксиальной лінії чи об'ємного резонатора. Якщо частотомер призначений від використання при імпульсної модуляції, то видеоимпульсы, утворені після детектування діодом, надходять на транзисторний підсилювач і амплітудне вольтметр. Паралельно останньому можна включити осциллограф.

Коаксиальные частотоміри виконують у основному двох типів: четвертьволновые і з навантаженої линией.

Четвертьволновый резонансний частотомер є розімкнений відрізок коаксиальной лінії (рис. 6). Налаштування його здійснюється з допомогою мікрометричного механізму зі шкалою, градуйованої в одиницях довжини I. Резонанс, в лінії настає при I, рівної нечетному числу чвертей довжини волны.

[pic] де п = 0, 1, 2 …

Отсчеты l1 і l2 відповідають (/4 і 3(/4, тому їх різницю дорівнює половині довжини хвилі. Загалом случае.

[pic].

Четвертьволновые частотоміри застосовуються на частотах 600 МГц—10 ГГц. Похибка виміру лежать у межах 10−3-5*10−4.

Резонансний частотомер з навантаженої лінією відрізняється від четвертьволнового тим, що разомкнутая коаксиальная лінія навантажується ємністю З, образуемой торцями внутрішнього й зовнішнього провідників (рис. 7). Резонанс в навантаженої лінії настає і під час условия.

[pic].

где D — внутрішній діаметр зовнішнього провідника; d— зовнішній діаметр внутрішнього провідника:? — хвилеве опір линии.

При їх настроюванні такого частотомера одночасно змінюються й довжину лінії l, і ємність З. Перекриття, проти четвертьволновым частотомером, зростає у 2— 3 разу. Двома частотомерами з навантаженої лінією перекривається діапазон частот від 150 до 1500 МГц. Вимірювану частоту визначають з допомогою градуировочных таблиць чи графіків. Похибка виміру 5−10~3.

Резонансний частотомер з об'ємним резонатором налаштовується пересуванням рухомого поршня (плунжера). Розпочаті всередині порожнини резонатора стоячі хвилі бувають різних типів. Це від способу запровадження збудливого електромагнітного поля. При порушенні циліндричного резонатора через отвір у центрі торцевій стінки (рис. 8, а) виникають коливання типу H111. З електродинаміки відомо, що власна довжина хвилі, в резонаторе пов’язана з його діаметром чи заввишки I наступній залежністю: (L/l)2 + l, 37(l/d)2 =(2/?111)2.

Якщо l= d, то ?111 =1,3 d. При порушенні порожнини резонатора через отвір у її бічний стінці виникають коливання типу H011 (рис. 8, б). Поле цих хвиль характерно відсутністю струмів провідності між торцевій і циліндричною стінками резонатора, що дозволяє застосувати для настройки безконтактний плунжер. Яка Проникає причому у неробочий простір за поршнем енергія поглинається предусмотренным.

[pic]Рис. 8−8. Схеми частотомеров з об'ємними резонаторами для цього покриттям, нанесеним на ліву (рис. 8, б) поверхню плунжера. Залежність власної довжини хвилі типу ?011 від розмірів резонатора визначається выражением.

(l/l)2 + 5,94 (l/d)2=(2/ ?011)2 Якщо цього резонатора також покласти l= d, то ?011 (0,76d. Шкала настройки частотомеров з об'ємними резонаторами градуируется з допомогою вимірювального генератора відповідного діапазону частот. Отже, головним джерелом похибки градуировки є похибка установки частоти за шкалою генератора. Щоб не поглиблювати похибка вимірювання неточністю настройки в резонанс, добротність об'ємного резонатора доводять до дуже високої значення. Це досягається поліруванням і золочением поверхні резонатора; у своїй добротність сягає 10 000—30 000. І все-таки похибка становить 10−3—10- 4. До вад частотомеров з об'ємними резонаторами належить мале перекриття, що зумовлює необхідності мати велике їх кількість для виміру потрібного діапазону частот.

Частотоміри з розподіленими параметрами за способом включення до вимірювану ланцюг поділяють на прохідні і які поглинають. Прохідній частотомер оснастили двома елементами зв’язку — вхідним для зв’язки України із електромагнітним полем і вихідним для через відкликання індикатором. Момент настройки в резонанс визначають по максимальному показанню індикатора (рис. 9, а). Поглинаючий частотомер має один елемент зв’язку — вхідний, а [pic].

Рис. 8−9. Прохідній (чи поглинаючий (б) частотомеры индикатор беруть у лінію передачі (рис. 8−9, б). Поки частотомер не налаштований в резонанс, показання індикатора максимальні; при їх настроюванні частина енергії поглинається в резонаторе і показання індикатора уменьшаются.

МЕТОД ПОРІВНЯННЯ Метод порівняння для виміру частоти набув широкого поширення, завдяки одній його простоті, придатності від використання практично у кожному діапазоні частот та порівняно високої точності результату виміру. Яка Вимірюється частота визначається по рівності чи кратності зразковою частоті. Отже, для виміру частоти fx. методом порівняння необхідно мати джерело зразкових частот fобр індикатор рівності чи кратності fx. і fобр. Як джерела зразкових частот застосовують зразкові заходи частоти, звані стандарти частоти, з нестабільністю Ю-9—10~11 за 1 сут.

Для градуировки генераторів вимірювальних сигналів використовують синтезатори частоти та інші генератори, похибка установки частоти яких порядок, а нестабільність частоти за 30 хв — на 3 порядки менший від, ніж в градуируемого генератора.

Індикатором рівності чи кратності частот то, можливо осцилограф чи нелінійний перетворювач частоты;

[pic].

Рис. 10. До визначенню кратності частот в відповідно до цього метод порівняння для виміру частоти реалізують двома способами: осциллографическим і гетеродинным. ———————————;

И.

fx.

ЭСв.

ИК.

ЭСв.

Рис. 4. Схема резонансного частотомера.